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摘 要：过度开采地下水等会造成城市地面的沉降，而这些沉降会对城市地面上得房屋，古迹，桥梁等建筑造成破坏，而这些破坏一般是不可逆的。所以做好城市地面沉降监测，监督地下水的开采是一件刻不容缓的工作。本文主要叙述了在城市监测地面沉降特点，着重介绍一种新型的基于星载SAR卫星的时序分析方法用于城市大范围地面沉降监测。
关键词：城市地面沉降；SAR时序分析；地下水开采
Abstract: The city ground subsidence caused excessive exploitation of groundwater, and the settlement of ground city houses, monuments, resulting in destruction of buildings and bridges, the damage is irreversible. So do the city ground subsidence monitoring, supervision and groundwater exploitation is a crunch time work. This paper mainly describes the characteristics of ground settlement in the city monitoring, introduces a novel sequential onboard SAR satellite analysis method for monitoring surface subsidence range based on city.
Key words: city ground subsidence; SAR sequence analysis; groundwater exploitation
中图分类号：P164 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
1介绍
我国以及世界上主要沉降区的资料都证实，过量开采地下水是造成地面沉降的主要原因。地面沉降监测工作主要是在地面沉降的地区内布设统一的区域性的地面沉降水准网、GPS网和地下水监测网。通过定期的重复观测，为研究和控制地面沉降提供准确、可靠的资料。水准测量主要是通过水准测量技术监测地面沉降。而GPS测量主要是通过GPS定位技术来地面的沉降量。虽然GPS测量和水准测量都可以提供精确的地面沉降信息。但两者都有着明显的劣势，就是费事费力，而且监测的密度无法满足城市的大范围监测，也比较难发现新地面沉降区域的沉降趋势。利用SAR卫星数据的时序分析可以弥补上述两种方法在时间和空间上的不足，而且测量精度也与之相当。SAR卫星的时序分析方法从发展到成熟也不过10余年，但其高精度，高密度的测量方法已经广泛的应用于城市地面沉降监测，煤矿开采区的沉陷监测，石油、天然气等开采区的监测，以及滑坡监测等。目前该技术在国内外广泛的开展，并取得了大量令人满意的结果。
城市地面沉降
平原区是城市重点发展区域，也是人口密集区，是地质灾害防治工作的重点。地质灾害是城市主要自然灾害之一，与城市建设、发展和人民生活密切相关。
华北平原区地面沉降和地裂缝已经在局部地区对部分建筑和城市基础设施造成损坏。由于地面沉降面积还在扩大，地裂缝也在不断发育，虽然目前直接显现的安全隐患数量有限，但是水资源需求和城市发展矛盾的现实性、地质变化的不可逆性，对未来城市建设和发展，尤其是基础设施建设造成的影响将是长期的。
地面沉降是指在一定的地表面积内由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象，是一种不可补偿的永久性环境和资源损失。目前地面沉降是我国城市发展的一个潜在的威胁，有研究表明在我国超过了50个城市发生了不同程度的地面沉降。累计沉降量超过200毫米的总面积超过7.9万平方公里。沉降主要发生在长江三角洲，汾渭盆地和华北平原。其中上海，天津，西安，苏锡常等地区是地面的沉降的重灾区。某些天然因素可以造成地面沉降，但地面沉降的主要原因还是人为的。城市建筑，重大工程也会造成地基土体发生缓慢变形，但目前，我国以及世界上主要沉降区的资料都证实，过量开采地下水是造成地面沉降的主要原因。沿海地区的城市地下水水位的下降，引起海水入侵，导致地下水水质恶化。地面沉降直接的影响就是经济损失，根据中国地质调查局等部门评估，几十年来，长三角地区因地面沉降造成的经济损失共计3150亿元。其中上海地区最严重，直接经济损失为145亿元，间接经济损失为2754亿元。华北平原地面沉降所造成的直接经济损失也达404.42亿元，间接经济损失2923.86亿元，累计损失达3328.28亿元[1]。
浙江是地面沉降较为严重的省份之一，浙江沿海平原地面沉降呈加剧趋势，对城乡建设、交通等产生直接影响，造成很大的经济损失。2006年新华网报道，杭嘉湖平原地面累计沉降量超过100毫米的沉降面积已达2500平方千米，约占整个平原区面积的40%；宁波市地面沉降面积约150平方千米，城区沉降中心累计量约489毫米。
3 时序SAR干涉测量技术
SAR时序分析方法（PSInSAR）技术是近十年来进行监测地面沉降的热点方法之一。该方法通过在长时间分为内依然存在相位和幅度变化稳定的点，利用这些点的相位特征，实现大气效应的消除，从而获得长时间序列上得高精度的地表形变信息。
永久散射体（PS）在长时间间隔上都能保持好的相干性，而且多数情况下，PS的尺寸一般都小于分辨单元，在长基线的干涉图上也可以保持好的相干性，使可利用的SAR 影像突破了已有的时间和空间基线的极限限制,大大增加了SAR 影像的可用数量。在这些像元上，一旦估计并消除地形误差、APS对相位的贡献，就可以获得毫米级地表微小形变[5]。
PSINSAR 方法类似于控制测量，它通过点上的可靠信息获得整个区域的信息，即使整个研究区内不能形成干涉条纹，也可用这种方法探测地表形变。与传统方法相比具有很大的优越性：
(1) 失相干影响较小,对地表覆盖物要求較低,在一定程度上克服了常规 DINSAR 技术中对地表覆盖物要求过于苛刻的不足.
(2) 测量精度高,可测得 0.1 mm/a 的视向移动速度。
(3) 永久散射体的密度远远大于其他传统测绘方法(如 GPS 测量和水准测量)得到的数据点的密度,而且处理时间可以跨越 10 多年的干涉影像，识别上百万个 PS 点并量测视线方向的地表偏移量。而精度却几乎可以与这两种测量技术的结果相媲美 ,如该技术可测得小于 0.1mm/a 的视线向移动速度[6]。
4 结论
利用PSInSAR技术监测城市的地面沉降，比传统的GPS测量和水准测量具有很多的优势，省时省力，在资金投入上也非常小。PSInSAR技术一直以来主要用于城市环境，因为这里稳定散射体（如建筑物、道路、电线杆等）的密度一般都相当高（多达每平方公里数百个）。这非常有利于PS的处理。同时也可以结合传统的GPS测量和水准测量和PSInSAR技术，用高精度的GPS和水准测量数据对PSInSAR结果进行验证和校正，将更加提高PSInSAR结果的精度，更能提高监测城市地面沉降的效率。
参考文献
[1] 段永侯， 我国地面沉降研究现状与21世纪可持续发展[J]. 中国地质灾害与防治学报. 1998，9(2):1-5
[2] 庄翔麟,陈臻. 精密水准测量在“地面沉降”勘察研究中的应用,《上海国土资源》 1981年第04期
[3] 郑州晚报“全国50个城市发生地陷 华北平原成世界最大漏斗”, 2011年11月17日 http://www.ce.cn/xwzx/gnsz/gdxw/201111/17/t20111117_22844906.shtml
[4] 李德仁， 廖明生， 王艳， 永久散射体雷达干涉测量技术[J]． 武汉大学学报(信息科学版)， 2004，29(8)：664-667.
[5] 王 艳， 廖明生等,D-InSAR 技术在长时间地面沉降中的应用研究[J].武汉大学学报（信息科学版）2007(1):103-106.
[6] 廖明生， 卢丽君等.基于点目标分析的InSAR技术检测地表微小形变的研究［J］ .城市地质， 2006，1(2)：38-41.
关键词：城市地面沉降；SAR时序分析；地下水开采
Abstract: The city ground subsidence caused excessive exploitation of groundwater, and the settlement of ground city houses, monuments, resulting in destruction of buildings and bridges, the damage is irreversible. So do the city ground subsidence monitoring, supervision and groundwater exploitation is a crunch time work. This paper mainly describes the characteristics of ground settlement in the city monitoring, introduces a novel sequential onboard SAR satellite analysis method for monitoring surface subsidence range based on city.
Key words: city ground subsidence; SAR sequence analysis; groundwater exploitation
中图分类号：P164 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
1介绍
我国以及世界上主要沉降区的资料都证实，过量开采地下水是造成地面沉降的主要原因。地面沉降监测工作主要是在地面沉降的地区内布设统一的区域性的地面沉降水准网、GPS网和地下水监测网。通过定期的重复观测，为研究和控制地面沉降提供准确、可靠的资料。水准测量主要是通过水准测量技术监测地面沉降。而GPS测量主要是通过GPS定位技术来地面的沉降量。虽然GPS测量和水准测量都可以提供精确的地面沉降信息。但两者都有着明显的劣势，就是费事费力，而且监测的密度无法满足城市的大范围监测，也比较难发现新地面沉降区域的沉降趋势。利用SAR卫星数据的时序分析可以弥补上述两种方法在时间和空间上的不足，而且测量精度也与之相当。SAR卫星的时序分析方法从发展到成熟也不过10余年，但其高精度，高密度的测量方法已经广泛的应用于城市地面沉降监测，煤矿开采区的沉陷监测，石油、天然气等开采区的监测，以及滑坡监测等。目前该技术在国内外广泛的开展，并取得了大量令人满意的结果。
城市地面沉降
平原区是城市重点发展区域，也是人口密集区，是地质灾害防治工作的重点。地质灾害是城市主要自然灾害之一，与城市建设、发展和人民生活密切相关。
华北平原区地面沉降和地裂缝已经在局部地区对部分建筑和城市基础设施造成损坏。由于地面沉降面积还在扩大，地裂缝也在不断发育，虽然目前直接显现的安全隐患数量有限，但是水资源需求和城市发展矛盾的现实性、地质变化的不可逆性，对未来城市建设和发展，尤其是基础设施建设造成的影响将是长期的。
地面沉降是指在一定的地表面积内由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象，是一种不可补偿的永久性环境和资源损失。目前地面沉降是我国城市发展的一个潜在的威胁，有研究表明在我国超过了50个城市发生了不同程度的地面沉降。累计沉降量超过200毫米的总面积超过7.9万平方公里。沉降主要发生在长江三角洲，汾渭盆地和华北平原。其中上海，天津，西安，苏锡常等地区是地面的沉降的重灾区。某些天然因素可以造成地面沉降，但地面沉降的主要原因还是人为的。城市建筑，重大工程也会造成地基土体发生缓慢变形，但目前，我国以及世界上主要沉降区的资料都证实，过量开采地下水是造成地面沉降的主要原因。沿海地区的城市地下水水位的下降，引起海水入侵，导致地下水水质恶化。地面沉降直接的影响就是经济损失，根据中国地质调查局等部门评估，几十年来，长三角地区因地面沉降造成的经济损失共计3150亿元。其中上海地区最严重，直接经济损失为145亿元，间接经济损失为2754亿元。华北平原地面沉降所造成的直接经济损失也达404.42亿元，间接经济损失2923.86亿元，累计损失达3328.28亿元[1]。
浙江是地面沉降较为严重的省份之一，浙江沿海平原地面沉降呈加剧趋势，对城乡建设、交通等产生直接影响，造成很大的经济损失。2006年新华网报道，杭嘉湖平原地面累计沉降量超过100毫米的沉降面积已达2500平方千米，约占整个平原区面积的40%；宁波市地面沉降面积约150平方千米，城区沉降中心累计量约489毫米。
3 时序SAR干涉测量技术
SAR时序分析方法（PSInSAR）技术是近十年来进行监测地面沉降的热点方法之一。该方法通过在长时间分为内依然存在相位和幅度变化稳定的点，利用这些点的相位特征，实现大气效应的消除，从而获得长时间序列上得高精度的地表形变信息。
永久散射体（PS）在长时间间隔上都能保持好的相干性，而且多数情况下，PS的尺寸一般都小于分辨单元，在长基线的干涉图上也可以保持好的相干性，使可利用的SAR 影像突破了已有的时间和空间基线的极限限制,大大增加了SAR 影像的可用数量。在这些像元上，一旦估计并消除地形误差、APS对相位的贡献，就可以获得毫米级地表微小形变[5]。
PSINSAR 方法类似于控制测量，它通过点上的可靠信息获得整个区域的信息，即使整个研究区内不能形成干涉条纹，也可用这种方法探测地表形变。与传统方法相比具有很大的优越性：
(1) 失相干影响较小,对地表覆盖物要求較低,在一定程度上克服了常规 DINSAR 技术中对地表覆盖物要求过于苛刻的不足.
(2) 测量精度高,可测得 0.1 mm/a 的视向移动速度。
(3) 永久散射体的密度远远大于其他传统测绘方法(如 GPS 测量和水准测量)得到的数据点的密度,而且处理时间可以跨越 10 多年的干涉影像，识别上百万个 PS 点并量测视线方向的地表偏移量。而精度却几乎可以与这两种测量技术的结果相媲美 ,如该技术可测得小于 0.1mm/a 的视线向移动速度[6]。
4 结论
利用PSInSAR技术监测城市的地面沉降，比传统的GPS测量和水准测量具有很多的优势，省时省力，在资金投入上也非常小。PSInSAR技术一直以来主要用于城市环境，因为这里稳定散射体（如建筑物、道路、电线杆等）的密度一般都相当高（多达每平方公里数百个）。这非常有利于PS的处理。同时也可以结合传统的GPS测量和水准测量和PSInSAR技术，用高精度的GPS和水准测量数据对PSInSAR结果进行验证和校正，将更加提高PSInSAR结果的精度，更能提高监测城市地面沉降的效率。
参考文献
[1] 段永侯， 我国地面沉降研究现状与21世纪可持续发展[J]. 中国地质灾害与防治学报. 1998，9(2):1-5
[2] 庄翔麟,陈臻. 精密水准测量在“地面沉降”勘察研究中的应用,《上海国土资源》 1981年第04期
[3] 郑州晚报“全国50个城市发生地陷 华北平原成世界最大漏斗”, 2011年11月17日 http://www.ce.cn/xwzx/gnsz/gdxw/201111/17/t20111117_22844906.shtml
[4] 李德仁， 廖明生， 王艳， 永久散射体雷达干涉测量技术[J]． 武汉大学学报(信息科学版)， 2004，29(8)：664-667.
[5] 王 艳， 廖明生等,D-InSAR 技术在长时间地面沉降中的应用研究[J].武汉大学学报（信息科学版）2007(1):103-106.
[6] 廖明生， 卢丽君等.基于点目标分析的InSAR技术检测地表微小形变的研究［J］ .城市地质， 2006，1(2)：38-41.